Article pp.1-4 du Vol.23 n°90 (2006)

(1)

Recherche Transports Sécurité 90 (2006) 1–4

Avant-propos

Pour l’amélioration des performances des organes de sécurité passive de nos moyens de transport

La sécurité dans le transport est une problématique qui nous concerne tous, du simple citoyen qui utilise au quoti- dien des moyens de locomotion aux sociétés industrielles qui développent des systèmes de transport toujours plus sûrs

— de la voiture individuelle au système complexe de pilo- tage d’aéronef —, des chercheurs qui proposent des matériaux et des structures pour protéger piétons et passagers aux organismes étatiques qui préconisent des règles pour améliorer la fluidité et la sécurité des réseaux des transports…

Le transport fait interagir l’Homme et la machine — le Moyen. Il est donc naturel que, dans le domaine de la sécurité du transport, plusieurs thématiques de recherche interagissent, se côtoient et développent parallèlement ou conjointement des technologies, des procédés et des méthodes visant à améliorer la sécurité de biens et de passagers. Dans les faits, ces activités scientifiques — guidées pourtant par le même objectif — interagissent relativement peu et communiquent rarement sur ces problématiques communes. Il est vrai que la sectorisation de la science ne facilite pas ces croisements de connaissance.

En science des matériaux, des axes de recherche tels que l’étude de la durabilité des matériaux et des structures partici- pent implicitement à l’amélioration de la sécurité du transport et les problématiques sont nombreuses : que ce soit l’identification du comportement de matériaux (composites ou métalliques) sous des sollicitations sévères (impact, choc), la définition de nouveaux absorbeurs d’énergie (matériaux cellulaires sollicités dynamiquement) ou l’étude de la durabilité de structures sous des sollicitations cycliques (en fatigue).

Dans une autre thématique, en biomécanique, les modélisa- tions fines d’un passager de véhicule ou d’un piéton (prenant en compte la variation de morphologie, la complexité géomé- trique, structurelle et comportementale des différents organes, leurs mobilités admissibles et les tenues aux dommages) font partie des grands travaux de développement. La mise au point de mannequins numériques va bientôt permettre de compren- dre, d’anticiper et de réduire les lésions corporelles.

Or, lors d’un accident, c’est justement l’interaction homme-machine qu’il faut parfaitement appréhender et maî- triser. Il faut prendre en compte conjointement les derniers développements dans la connaissance du comportement de la structure mécanique du moyen de transport et les nouvel- les modélisations physiques du corps humain. C’est donc une démarche pluridisciplinaire qui doit faire avancer la recherche de la sécurité dans le transport.

Il semble alors nécessaire que les acteurs de ces thémati- ques scientifiques se rencontrent plus souvent pour présenter l’état de l’art dans leurs domaines. Et même si le vocabulaire est parfois différent, ces rencontres sont fructueuses en ce qu’elles permettent de présenter et d’échanger les voies d’investigations et les résultats attendus.

Le LAMEFIP (Laboratoire matériaux endommagement fiabilité et ingénierie des procédés) a organisé le 2 juin 2005 au sein de l’ENSAM de Bordeaux une première journée sémi- naire sur la sécurité dans le transport. L’objectif de cette journée était de présenter les préoccupations et les exigences des industriels pour la conception de moyens de transport plus sûrs, ainsi que les axes de recherche en science des matériaux et en biomécanique du choc.

Ce rendez-vous a été l’occasion de rencontres et d’échan- ges entre scientifiques et industriels concernés par cette thématique, dans les différents secteurs d’activités de l’automobile, de l’aéronautique, du ferroviaire ou du naval (autour d’une exposition de posters et d’un colloque scientifique).

Du côté des industriels, Jean Yves Le Coz de chez Renault a présenté la stratégie de la société concernant l’approche globale de la sécurité routière, tandis que Gérard Menard de Dassault Aviation montrait l’évolution des techniques et des certifications visant à améliorer la sécurité en aéronautique.

D’autres professionnels du secteur sont intervenus pour présenter les avancées des performances des matériaux absorbeurs d’énergie lors de crashs, que ce soit par l’utilisa- tion de matériaux poreux (société Ateca) ou avec des nids d’abeille (société Alcore Brigantine).

RTS_90_ Page 1 Mardi, 13. juin 2006 4:20 16 > Apogee FrameMaker Noir

Cet article des Editions Lavoisier est disponible en acces libre et gratuit sur rts.revuesonline.com

(2)

2 Avant-propos / Recherche Transports Sécurité 90 (2006) 1–4

Cette rencontre avait aussi pour objectif de réunir les scientifiques du domaine de la mécanique et des matériaux et ceux intervenant en biomécanique ou dans le milieu médi- cal. Ainsi, en matière de science des matériaux et des structures, on pourra retenir de cette journée les interventions de Jérôme Benabes (LAMEFIP), qui a évoqué la problématique de la fatigue et la vulnérabilité des structures sur l’exemple des roues de train sous chargement de service, celles de Han Zhao (Laboratoire de mécanique et technolo- gie de l’ENS de Cachan) et Philippe Viot (LAMEFIP), qui ont présenté les développements de modélisations de matériaux cellulaires utilisés en tant qu’absorbeurs de choc, enfin celle de Daniel Coutellier (Université de Valenciennes), qui a exposé une contribution à l’amélioration des outils de simulation numérique pour le comportement au choc de structures composites.

Dans le domaine de la biomécanique, Philippe Vezin (INRETS) a développé le projet de collaboration européenne

HUMOS2 pour une approche intégrée du développement de modèles éléments finis du corps humain afin d’améliorer la sécurité passive. Sébastien Laporte (ENSAM, centre de Paris) montrait les applications des modélisations de l’être humain pour la protection de l’occupant d’un véhicule lors d’un choc. Enfin, dans un domaine connexe, Philippe Poisson de l’Université de Bordeaux 2 présentait l’étude spécifique du maintien de la tête et du cou lors de traumatismes.

Devant la qualité des présentations, la richesse des informations et des échanges entre les différents acteurs de chaque discipline, il semblait nécessaire de laisser une trace écrite de ce séminaire. Certains scientifiques ont donc souhaité contribuer à ce numéro de la revue Recherche Transports Sécurité pour présenter une synthèse de leurs interventions. Ainsi, cinq articles sont présentés dans ce numéro spécial, dont trois concernent l’étude des matériaux et des structures pour une meilleure compréhension de leurs comportements. L’objectif ultime commun de ces études scientifiques est une meilleure prédiction des phénomènes et des réponses des structures mécaniques des moyens de transport lors d’un accident. Cette approche doit permettre une amélioration de la conception de nos moyens de locomotion en termes de sécurité — passive ou active.

Dans le premier article, Mathieu Lambert, Catherine Froustey et Jean-Luc Lataillade présentent les résultats concernant la ténacité dynamique résiduelle suite à un pré- endommagement de fatigue d’alliages d’aluminium utilisés dans les industries du transport aéronautique et automobile.

Les structures qui font appel à ce type d’alliage peuvent être sollicitées de manière cyclique pendant leur durée de vie ou par des actions mécaniques sévères et brèves lors d’un choc.

Les auteurs montrent que, s’il est bien sûr nécessaire de calculer et de dimensionner ces structures, respectivement en fatigue et à l’impact (les méthodologies et les modèles étant différents), il est tout autant nécessaire d’établir

l’influence du cumul de ces sollicitations fatigue-choc sur les performances du matériau. Qu’en est-il de la durée de vie d’une structure métallique (calculée en fatigue) lorsqu’elle subit un impact ? Y a-t-il un effet pénalisant ? Et à l’inverse la tenue au choc d’une pièce (tel qu’un fusible mécanique par exemple) peut-elle être influencée par des cycles de sollicitation en fatigue ? Des réponses sont apportées dans cet article sur deux alliages d’aluminium. Cette étude montre l’influence du préchargement en fatigue sur la tenue au choc dans le cas de l’alliage 2017 T3. Ces résultats ont été confor- tés par des études microscopiques du faciès de rupture. Il est donc nécessaire de prendre en compte le cumul de ces modes de sollicitations dans le calcul d’une structure utilisant ce type de matériau. Pour un autre alliage d’aluminium, le 5454-0, ces effets (préfatigue du matériau) ne sont pas cons- tatés. Les auteurs montrent ainsi la nécessité de systématiser l’étude du cumul choc-fatigue pour valider la tenue en service de pièces mécaniques.

Dans l’étude du comportement de matériaux cellulaires sollicités au choc, Salim Abdennadher et Han Zhao se pré- occupent plus particulièrement de l’effet inertiel dans le flambage successif de tube, l’objectif étant une meilleure représentativité du comportement sous sollicitation dynamique de matériaux alvéolaires tels que les nids d’abeille.

Ces matériaux utilisés comme matériaux de remplissage dans les structures sandwichs jouent aussi le rôle d’absorbeurs d’énergie en cas de choc. Il est avéré que la réponse de ces matériaux présente une sensibilité à la vitesse de déformation se traduisant par une augmentation de leur résistance à l’écrasement sous sollicitations dynamiques.

Si ces structures sont calculées sous des sollicitations stati- ques (ce qui est souvent le cas), les efforts constatés lors d’un impact seront plus conséquents et peuvent être préju- diciables à la sécurité des occupants d’un véhicule. Les auteurs montrent d’une part l’insensibilité du matériau constitutif — l’aluminium — du nid d’abeille étudié, d’autre part la sensibilité de ce même nid d’abeille à la vitesse de chargement. Ils démontrent ainsi l’effet de la structure du matériau alvéolaire sur son comportement. Par une approche combinée numérique et expérimentale, il est montré que dans le flambage des parois des tubes consti- tuant le nid d’abeille, une zone proche de l’arête du tube est fortement sollicitée (ce qui peut conditionner le phéno- mène de flambement). Les simulations numériques mettent en évidence que les contraintes sont alors d’autant plus grandes que les vitesses de déformation sont élevées (spé- cifiques dans le cas d’un crash) et ceci à cause des effets inertiels. Cette étude permet de mieux prédire le comportement de ces matériaux (et par extension la réponse des mousses d’aluminium dont le comportement est voisin), afin de calculer au mieux les efforts et les énergies absor- bés par ces structures.

Dans le dernier article de ce numéro s’intéressant à la caractérisation des matériaux et des structures sous sollicita-

(3)

Avant-propos / Recherche Transports Sécurité 90 (2006) 1–4 3

tions dynamiques, Daniel Coutellier se préoccupe de l’amélioration des moyens de simulation numérique déve- loppés pour étudier le comportement aux chocs des structures composites. Ces matériaux, de plus en plus utili- sés dans le transport, que ce soit en aéronautique, en naval ou en automobile, ont des avantages majeurs qui sont la légèreté, synonyme d’économie d’énergie — pour des performances mécaniques équivalentes —, et leurs capacités à absorber de l’énergie lors d’un crash. Pour améliorer les caractéristiques mécaniques de ces structures, qui dépendent fortement de l’élaboration du matériau lors de la création de la pièce, de l’orientation des plis, du nombre de couches…

une approche par modélisation numérique est indispensable.

Cet article fait une synthèse des travaux dans ce domaine pour l’amélioration des outils de calcul nécessaires aux bureaux d’études pour la conception optimisée de structures composites. De plus, ces modèles de dimensionnement doivent prendre en compte l’influence de la vitesse de défor- mation lors d’une sollicitation dynamique sur la réponse du matériau pour une application crash. Après un bref rappel des mécanismes de ruine rencontrés dans le cas de grande déformation des structures composites, l’auteur présente les moyens expérimentaux indispensables à l’identification des paramètres ou des fonctions intervenant dans les modèles de comportement de ces matériaux. Ces lois peuvent être ensuite implémentées dans des codes de calcul. Cette démar- che assez classique — identification du comportement d’un matériau/définition d’un modèle représentatif/modélisation numérique d’une structure — est développée en prenant trois exemples pour illustrer la prise en compte dans les codes de calcul des mécanismes de ruine d’un matériau composite.

Deux articles concernent la biomécanique. Dans ce domaine, des efforts soutenus sont menés dans la modélisa- tion du comportement de corps humains (en situation, par exemple piéton ou passager d’un véhicule lors d’un accident). Ces articles développent deux problématiques en biomécanique, les difficultés rencontrées dans la modélisa- tion complexe du corps humain, les stratégies de développement et les résultats attendus.

Dans leur article Modélisation de l’être humain et protec- tion de l’occupant d’un véhicule lors d’un choc, Sébastien Laporte, Wafa Skalli, David Mitton et François Lavaste étu- dient le comportement du corps humain soumis à un accident. Ce type de recherche doit permettre un meilleur dimensionnement des organes de sécurité passive installés dans nos véhicules (sac gonflable, ceinture de sécurité avec prétensionneur…).

Dans cet article, les auteurs présentent deux exemples de projets de recherche en biomécanique des chocs : l’analyse des mécanismes lésionnels du thorax et l’analyse du comportement au choc de rachis lombaires. Dans les deux cas, une étude expérimentale a été menée sur des organes humains (5 thorax et 15 segments lombaires, prélevés 72 h

post mortem). Ces essais ont permis d’estimer la résilience de ces structures sous différentes sollicitations dynamiques.

Sur les côtes, ces résultats expérimentaux ont pu être com- parés à ceux obtenus par simulation numérique de la géométrie réelle de l’os testé, un scan 3D de la structure ayant été au préalable effectué. Sur les vertèbres, les techniques de mesure optique ont été mises en œuvre pour évaluer la cinématique de la flexion dynamique imposée aux segments lombaires et les efforts engendrés lors de l’impact ont pu être enregistrés. Ces données permettent d’affiner la modélisation de ces organes humains, tant en termes de géo- métrie que de comportement mécanique. La biofidélité des mannequins physiques ou virtuels pourra par exemple être améliorée.

Dans le second article Thierry Serre et al. se préoccupent plus particulièrement d’accidents impliquant une automobile et un piéton ou un cycliste. L’objectif final de cette étude est de proposer une méthodologie pour la reconstruc- tion numérique d’accidents réels. La démarche originale consiste à s’appuyer sur des études accidentologiques (étu- des détaillées d’accident) pour nourrir des modèles élaborés en biomécanique du choc. Les données initiales recueillies à partir d’un accident réel fournissent les informations nécessaires pour reconstruire et modéliser en simulation numérique cette configuration d’accident. Une étude para- métrique et de variabilité de cette configuration initiale, prenant en compte les caractéristiques physiques et cinéma- tiques du choc (vitesse de l’automobile, position initiale du piéton ou du cycliste, géométrie des différents corps…) est ensuite réalisée. Cette approche fournit des résultats, aussi bien en termes de cinématiques (points d’impact localisés sur les différents corps, chute au sol…) que de lésions (frac- tures, plaies ou traumatismes…). Ces résultats peuvent alors être comparés à ceux obtenus sur le terrain — après l’accident réel — dans un but de validation et de recalage éventuel des modèles biomécaniques. L’auteur présente les résultats sur trois types d’accidents. Le travail de modélisa- tion fournit correctement la cinématique du choc lors de l’impact et les blessures identifiées numériquement peuvent être corrélées avec celles constatées dans le dossier médical des victimes. Cette recherche permet d’améliorer l’état de l’art dans le domaine du choc automobile contre piéton ou cycliste. Les résultats de ces modélisations, en termes de cinématique du corps de la victime, points d’impacts sur véhicule ou lésions occasionnées, sont des indicateurs qui doivent permettre l’optimisation des géométries des véhicu- les futurs, ceci dans l’objectif de réduire les conséquences d’un accident.

Les cinq articles présentés dans ce numéro sont assez bien représentatifs des orientations de la recherche pour l’amélioration de la sécurité dans le transport. Que ce soit en science des matériaux et des structures ou en bioméca- nique du choc, les voies de recherche tendent à une amélioration des modélisations des accidents réels afin de

(4)

4 Avant-propos / Recherche Transports Sécurité 90 (2006) 1–4

prédire le comportement de la structure pendant la sollicitation dynamique, la cinématique des corps, ainsi que les lésions engendrées pendant l’impact et l’interaction méca- nique entre le corps humain et la structure du véhicule. Si les technologies actuelles visent à améliorer la sécurité active des véhicules, sachant que le risque zéro est illusoire et que l’accident ne peut être évité dans tous les cas, les

voies de recherche décrites dans ce numéro spécial ont pour objectif une amélioration passive des véhicules pour une meilleure protection des usagers.

Philippe Viot Maître de conférence au LAMEFIP ENSAM de Bordeaux